Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и перспективы производства базальтофибробетона 11
1.1 Теоретические и технологические основы повышения физико механических и эксплуатационных свойств базальтофибробетона 11
1.2 Сырьевые материалы для получения фибробетона 20
1.2.1 Классификация и виды фибры для производства фибробетона 20
1.2.2 Использование вяжущих веществ для дисперсного армирования базальтовыми волокнами
1.2.3 Использование модифицирующих добавок для производства фибробетона
1.3 Использование ультрадисперсных добавок в технологии производства фибробетонов
1.4 Цели и задачи исследований 34
2 Характеристика исходных материалов и методов исследований
2.1 Характеристика исходных материалов для получения 38
базальтофибробетона
2.1.1 Способ получения и характеристики базальтового волокна 40
2.1.2 Способ получения и характеристики нанокремнезема 43
2.2 Характеристика методов исследований 46
2.2.1 Математическая обработка результатов исследований 49
3 Определение оптимальных вещественных составов базальтофиброцементных композиций
3.1 Влияние содержания нанокремнезема и базальтового волокна на 51
физико-механические свойства цементного камня
3.2 Исследование реологических характеристик фиброцементных композиций при введении базальтового волокна и нанокремнезема
3.3 Оптимизация составов фиброцементных композиций с помощью -з метода математического планирования эксперимента 61
3.4 Определение эффективного способа распределения базальтового волокна в составе фиброцементных композиций
3.5 Выводы по главе 3 68
4 Повышение коррозионной стойкости базальтового волокна в среде гидратирующегося цемента 70
4.1 Исследование коррозионной стойкости базальтовой фибры в среде гидратирующегося цемента 70
4.2 Исследование микроструктуры и фазового состава базальтофиброцементных композиций 75
4.3 Выводы по главе 4 80
5 Разработка составов базальтофибробетонов с использованием базальтового волокна и нанокремнезема 81
5.1 Технологические свойства базальтофибробетонных смесей 81
5.2 Физико-механические свойства базальтофибробетонов с использованием базальтового волокна и нанокремнезема 84
5.3 Деформативные и эксплуатационные свойства базальтофибробетонов 88
5.4 Выводы по главе 5 91
6 Технология производства мелкозернистого базальтофибробетона с нанокремнеземом и оценка технико-экономической эффективности его производства
6.1 Разработка технологии производства мелкозернистого базальтофибробетона с нанокремнеземом 93
6.2 Оценка технико-экономической эффективности производства базальтофибробетона 101
6.3 Статический, динамический и конструктивный расчеты несущих железобетонных элементов административно-общественного 12-ти
- 4 этажного здания в г. Иркутск 105
6.3.1 Характеристика здания и архитектурно-конструктивное решение 105
6.3.2 Проектное решение 108
6.3.3 Характеристика расчетной модели 1 6.4 Расчетная оценка работоспособности конструкций здания 118
6.5 Внедрение результатов исследований 118
6.6 Выводы по главе 6 121
Общие выводы 122
Литература 125
- Классификация и виды фибры для производства фибробетона
- Исследование реологических характеристик фиброцементных композиций при введении базальтового волокна и нанокремнезема
- Исследование микроструктуры и фазового состава базальтофиброцементных композиций
- Деформативные и эксплуатационные свойства базальтофибробетонов
Введение к работе
Актуальность работы. При производстве фибробетонов перспективным в силу ряда преимуществ является применение базальтового волокна. В Иркутской области и Забайкальском крае на основе нового плавильного агрегата – электромагнитного технологического реактора – запущены мини-заводы по производству волокнистых теплоизоляционных материалов с применением базальтов местных месторождений. Применение электротермического метода для плавления исходного сырья с целью получения теплоизоляционных волокнистых материалов является перспективным. В отличие от ваграночного и ванного способов при электротермическом методе многостадийность процессов заменяется одностадийностью, что позволяет сократить затраты на оборудование и облегчает его эксплуатацию. Формование минерального волокна осуществляется цен-тробежно-дутьевым способом, являющимся наиболее распространенным для производства минеральных волокон благодаря высокой производительности и относительной экономичности по сравнению с другими. Применение для дисперсного армирования фибробетона базальтового волокна (БВ), полученного центробежно-дутьевым способом и обладающего менее однородными и стабильными качественными характеристиками по сравнению с базальтовым ровингом и тонким штапельным волокном, и повышение его коррозионной стойкости представляется интересным.
Кроме того, в технологии производства бетона перспективно использование нанодисперсных добавок, в частности нанокремнезе-ма, введение которых позволяет регулировать его структуру и свойства.
Диссертационная работа выполнена в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности № 13.892.2014/K по теме «Получение новых композиционных материалов из расплавов горных пород и золошлаковых отходов в плаз-меннодуговом реакторе и исследование их физико-технических и эксплуатационных свойств» ВСГУТУ и научно исследовательской работы ИРНИТУ №2.436 «Использование различных добавок и промышленных отходов для получения строительных материалов».
Степень разработанности. Обладая значительными преимуществами, фибробетоны пока не нашли широкого применения в строительстве. Вместе с тем, задача их внедрения при обеспечении оптимальных показателей материалоемкости и себестоимости явля-
ется актуальной. Ее успешная реализация позволит в полном объеме раскрыть потенциал дисперсно-армированных бетонов.
При использовании базальтовых волокон, имеющих химическое сродство с минералами портландцемента (ПЦ), необходимо учесть возможное взаимодействие, которое приведет к разрушению базальтового волокна и снижению армирующего эффекта. Для снижения негативного влияния среды ПЦ на коррозию неметаллических волокон применяют различные кремнеземсодержащие добавки. Использование нанодисперсного диоксида кремния - нанокремнезема (НК) достаточно широко исследуется для бетонов различного назначения. Химическая активность нанокремнезема в сочетании с высокой удельной поверхностью позволяет ему быть эффективным компонентом современных высокопрочных бетонов. Однако использование НК для обеспечения коррозионной стойкости базальтового волокна, нахождение оптимальных уровней содержания БВ и НК, влияние БВ и НК на физико-механические, деформативные и эксплуатационные свойства фибробетона ранее не рассматривалось.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка технологии производства фибробетона с использованием базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанодисперсного кремнезема.
Для решения поставленной цели в работе определены следующие задачи:
-
Изучение химической стойкости базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, в щелочной среде гид-ратирующегося портландцемента и исследование влияния на нее нанодисперсного кремнезема.
-
Определение эффективного способа введения в цементную матрицу базальтового волокна и нанодисперсного кремнезема и оценка его влияния на физико-механические свойства цементного камня и бетона.
-
Разработка составов и технологии производства мелкозернистого базальтофибробетона с использованием базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанокрем-незема.
-
Технико-экономическое обоснование технологии производства базальтофибробетона, апробация работы.
Научная новизна работы. Установлена эффективность применения базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом и характеризующегося неоднородностью по основным характеристикам, в качестве дисперсно - армирующего компонента, и нанокремнезема, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов, для получения высокопрочного мелкозернистого цементного фибробетона.
Установлен способ повышения коррозионной стойкости базальтового волокна за счет введения нанодисперсного кремнезема, имеющего высокую химическую активность. Нанокремнезем, обладая развитой удельной поверхностью и повышенной химической активностью, взаимодействует с образующейся при гидратации цемента известью, предотвращая коррозию базальтового волокна. Интервал дозирования нанокремнезема значительно ниже по сравнению с известными аналогами микроразмерных кремнеземсодержа-щих добавок и лежит в пределах 0,02-0,1% в составе бетона.
Выявлены закономерности и количественные зависимости прочности цемента и бетона от количества и длины базальтового волокна, дозировки нанокремнезема, способа введения нанокремне-зема и волокна, и определены его основные физико-механические и эксплуатационные свойства.
Практическая значимость работы. Разработаны составы ба-зальтофибробетона с применением базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанокремнезема, полученного путем испарения и конденсации вещества релятивистским пучком электронов.
Установлен эффективный способ распределения базальтового волокна в объеме цементной матрицы, заключающийся в кратковременном смешении-помоле в стержневом виброистирателе. Получен базальтофибробетон с прочностью при сжатии – 60-65 МПа, при изгибе – 14-16 МПа, морозостойкостью – 200-250 циклов, усадкой – 0,9 - 1,1 мм/м.
Разработана технология приготовления высокопрочного ба-зальтофибробетона с применением базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом, и нанокремнезема. Определены технико-экономические показатели производства базальто-фибробетона и эффективность его применения.
Достоверность результатов экспериментальных исследований и выводов обеспечена:
соответствием полученных результатов с общими положениями физической химии и структурообразования цементных композиций;
использованием поверенного испытательного оборудования при испытании материалов и современных методов исследования структуры и свойств цементного камня (РФА, растровая электронная микроскопия, калориметрические исследования), статистической обработкой результатов измерений, корреляций результатов, полученных разными методами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих конференциях: международных - «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2011), «Наукоемкие технологии и инновации» (XXI научные чтения) (Белгород, 2014), «Современные строительные материалы, технологии и конструкции» (Грозный, 2015), всероссийских - «Наноматериалы и технологии» (Улан-Удэ, 2014), вузовских - «Наука, технологии, инновации в инвестиционно-строительной сфере, недвижимости и жилищно-коммунальном комплексе» (г. Иркутск, 2009-2014 гг.), научно-практической конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГУТУ (Улан-Удэ, 2011-2015 гг.).
На защиту выносятся:
Результаты исследований по изучению химической стойкости базальтового волокна в щелочной среде гидратирующегося портландцемента и влиянию на нее нанодисперсного кремнезема.
Закономерности и количественные зависимости повышения прочности цемента и бетона от количества и длины базальтового волокна и нанокремнезема, способа введения волокна при его совместном смешении и помоле с портландцементом в различных помольных агрегатах.
Представления о механизме действия базальтового волокна и нанокремнезема в цементе; изменение микроструктуры и фазового состава фиброцемента.
Составы и технология производства базальтофибробетона с учетом особенностей способа введения нанокремнезема и базальтовой фибры.
Расчеты несущих железобетонных элементов, полученных с использованием базальтофибробетона в г. Иркутск и технико-экономическое обоснование производства базальтофибробетона.
Внедрение результатов исследований. Полученные составы модифицированного бетона апробированы при выпуске опытно-промышленной партии фибробетонной смеси ООО «Буржелезобе-тон», г. Улан-Удэ Удэ и ООО «Алит-тм», г. Иркутск. В производственных условиях получены бетоны прочностью при сжатии - 65 МПа, прочностью при изгибе – 15,4 МПа.
Теоретические положения диссертационной работы, результаты экспериментальных лабораторных исследований и промышленного внедрения используются в учебном процессе ВосточноСибирского государственного университета технологий и управления и Иркутского национального исследовательского технического университета при подготовке бакалавров и магистров направления 08.03.01 - «Строительство».
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 9 научных статьях, в том числе в 4 статьях в центральных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК МОиН РФ. На составы высокопрочного фибробетона с базальтовым волокном и нанокремне-земом получено положительное решение о выдаче патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 6 глав, основных выводов, списка литературы, включающего 149 наименований, содержит 146 страниц текста, 39 рисунков, 31 таблицу и 5 приложений.
Классификация и виды фибры для производства фибробетона
В настоящее время по критерию прочности при сжатии бетоны подразделяют на 4 группы [1]: I – рядовые, с прочностью до 40 МПа; II – высокопрочные бетоны (40-80 МПа); III – особо высокопрочные (80-120 МПа); IV – сверхвысокопрочные бетоны (более 120 МПа). Растущая потребность в высокопрочных бетонах обусловлена двумя факторами: во-первых, увеличением нагрузок на несущие и, особенно, пролетные конструкции высотных зданий, в которых тяжелый бетон классов В30-В50 уже не удовлетворяет конструктивным требованиям. Второй фактор – рост цен на все сырьевые материалы железобетона – выдвигает новый принцип бетонного строительства: «Экономить не цемент в бетоне, а бетон в конструкции». А это возможно только за счет уменьшения поперечных сечений несущих элементов благодаря существенному росту прочности в них. Однако применение высокопрочных бетонов влечет за собой ряд трудностей и рисков. Так, например, мелкозернистый бетон имеет недостаточную прочность на растяжение при изгибе, ее рост «отстает» от роста прочности на сжатие. К тому же высокопрочные бетоны требуют повышенного расхода цемента, что приводит к росту усадочных деформаций и внутренних напряжений, накоплению микродефектов, увеличивающих опасность хрупкого разрушения конструкций. Устранить эти недостатки высокопрочных бетонов можно с помощью фибры [2].
Опыт применения фибробетонов в зарубежной и отечественной практике показывает, что рациональными областями использования таких бетонов является широкая номенклатура монолитных и сборных бетонных конструкций. Так, применение фибробетона наиболее эффективно в тонкостенных плоских и криволинейных конструкциях, безнапорных и низконапорных трубах, а также при изготовлении ударостойких и изгибаемых конструкций с целью исключения дополнительной арматуры и связанных с ней работ. Чаще всего в цементных бетонах применяется стальная фибра длиной 2-4 см, диаметром 0,7-1 мм при коэффициентах армирования 2,5-4% от массы бетона. Это приводит к увеличению прочности на изгиб на 15-20% и снижению внутренних напряжений. Однако потенциал дисперсного армирования полностью не реализуется ввиду малой удельной поверхности стальной фибры, невысокой адгезии к ней цементного камня и недостаточной прочности самого бетона, приводящей к «продергиванию» фибр при его разрушении [2].
В связи с этим перспективно применение базальтового волокна, практически еще не применяемого в цементных бетонах. По прочности оно превосходит сталь, и обладает, за счет малого диаметра волокон (9-12мкм), гораздо большей удельной поверхностью сцепления с цементным камнем, чем стальное, имея с ним химическое сродство. При этом относительное удлинение при разрыве базальтовой фибры в два раза ниже, чем стальной, что позволяет ей более эффективно препятствовать образованию микротрещин в бетоне при нагружении [2]. Над вопросами фибробетонов и конструкций на их основе, теорий расчета и проектирования фибробетонных конструкций работали отечественные и зарубежные ученые: В.В. Бабков, Ю.М. Баженов, Е.М. Чернышов, С.С. Каприелов, И.В. Волков, С.Ф. Канаев, Ю.В. Пухаренко, Ф.Н. Рабинович, В.Ф. Степанова, В.Г. Хозин, Г.И. Яковлев, Э. By, Г.С. Холистер, Дж. Купер и др. [3-18]. Производство базальтофибробетона (БФБ), изделий и конструкций на его основе регламентируется ВСН 56-97 [19]. Для получения базальтофибробетона чаще всего предусматривается использовать конструкционный мелкозернистый бетон со средней плотность не менее 2000 кг/м3 на кварцевом песке с крупностью зерен от 1,5 мм до 2,3 мм. Бетон должен иметь водопоглощение не более 8 % по массе.
Мелкозернистый бетон для базальтофибробетонных конструкций в зависимости от вида и условий их работы предусматривается следующих классов
- 13 и марок: по прочности на сжатие - В20, В25, В30, В35, В40; классов по прочности на осевое растяжение - Bt 1.6; Bt 2; Bt 2.4; Bt 2.8; Bt 3.2; Вt 3.6; Bt 4; марок по морозостойкости - F50; F75; F100; F150; F200; F250; F300; F400, F500; марок по водонепроницаемости - W4; W6; W8; W10; W12 [19].
Как отмечается в литературе, упрочнение волокнами основывается на предположении, что материал бетонной матрицы передает волокнам приложенную нагрузку посредством касательных сил, действующих по поверхности раздела, и, если модуль волокна больше модуля матрицы, то основную долю приложенных напряжений воспринимают волокна, а общая прочность композиции пропорциональна их объемному содержанию [6-8].
В исследованиях, относящихся к дисперсному упрочнению бетонных материалов, можно выделить два направления. Первое основано на применении специальных затравок, интенсифицирующих процессы твердения бетона и улучшающих его физико-механические показатели. Определенный интерес представляет направленная кристаллизация новообразований в процессе твердения бетона, т. е. обеспечение дисперсного самоармирования бетона за счет образования в его объеме ориентированных сростков новообразований в виде кристаллогидратов, позволяющих существенно повысить прочность образцов [8].
Второе направление основано на применении для повышения прочности бетонной матрицы армирующих волокон, отличающихся по своему составу от материала матрицы и способных в процессе работы композиции воспринимать более высокие по сравнению с матрицей растягивающие напряжения. Получаемый эффект упрочнения в значительной мере зависит от вида используемых волокон, характера их сцепления и ориентации в объеме бетона, химической устойчивости по отношению к продуктам гидратации цементных вяжущих [2, 6, 8, 10, 12, 14-27].
Методами дисперсного армирования предусматриваются возможности получения направленной и произвольной (свободной) ориентации волокон в объеме бетона. Направленная ориентация реализуется главным образом при использовании непрерывных нитей, жгутов, различного рода тканых и нетканых сеток, разреженных тканей и других аналогичных материалов. Подобный вид ориентации может быть также осуществлен при армировании бетона короткими волокнами, в частности стальными фибрами при формовании изделий, например в магнитном поле. Плоскопроизвольная ориентация характеризуется равновероятным и неограниченным (свободным и хаотичным) распределением волокон в плоскости (в двухмерном пространстве). Дисперсное армирование в этом случае реализуется главным образом в тонкостенных изделиях в виде плоских листов, плит, а также в элементах, обладающих криволинейной формой [7, 8]. Объемно-произвольная ориентация характеризуется равновероятным и неограниченным (свободным и хаотичным) распределением коротких армирующих волокон во всем объеме бетона (в трехмерном пространстве). Чем меньше размеры поперечного сечения изделий, тем в большей мере ограничены возможности свободной ориентации армирующих волокон [8]. Анализ показывает, что эффект стеснения ориентации волокон проявляется в основном в тех случаях, когда соответствующие размеры изделий превышают длину армирующих волокон не более чем в 5 раз [7, 8]. При более значительных размерах поперечного сечения изделий эффект стеснения заметно снижается, параметры ориентации волокон в бетонной матрице в этом случае приближаются к параметрам плоско- или объемно-произвольного армирования.
Исследование реологических характеристик фиброцементных композиций при введении базальтового волокна и нанокремнезема
Нанодисперсная добавка Таркосил-05 получена на установке, разработанной в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН и Институте ядерной физики СО РАН г. Новосибирск (рис. 2.3) [37]. При воздействии ускоренными электронами на твердое тело энергия выделяется непосредственно в объеме вещества на глубине нескольких миллиметров, вызывая ионизацию вещества и разогрев этого слоя. При достаточной мощности на единицу поверхности пучка электронов температура поверхностного слоя вещества достигает температуры кипения, то есть начинается испарение вещества. Энергия ускоренных электронов расходуется в основном на нагрев и испарение кварцевого песка, излучение с поверхности расплавленной жидкости и нагрев воздуха в реакторе [37].
Ранее, в работах [35, 36] были проведены исследования по получению высокопрочного бетона с применением данного нанокремнезема.
Ускоритель электронов позволяет при изменении технологических параметров получать НК с различной природой поверхности, придавая ему гидрофильные (Таркосил-20) и технологии получения модифицированного бетона НК Таркосил-05 показал наилучшие физико-механические показатели, что связано с характером его поверхности, который обусловливает образование вокруг частиц гидратной пленки. Толщина гидратной пленки Таркосил-05 меньше, чем у Таркосил-20, что положительным образом сказывается на их распределении в объеме воды затворения. Таркосил-05, используемый в проводимых исследованиях для повышения коррозионной стойкости базальтового волокна, имеет следующие характеристики: средний размер частиц – 53 нм (рис. 2.4), удельная поверхность – 50,6 м2/г (по данным прибора «Сорби-М»), НК состоит более чем на 99% из аморфного кремнезема, содержание примесей, в мас. %: Al - 0,01, Fe – 0,01, Ti – 0,03.
Полученный порошок нанокремнезема марки Такросил был опробован для модифицирования эпоксидных смол, силиконовой резины, лакокрасочных материалов [65, 66]. Исследовано влияние добавок наноразмерного порошка диоксида кремния Таркосил на прочностные и упругие свойства (предел прочности на растяжение и модуль упругости Юнга) силоксанового каучука [66].
Показано, что при росте концентрации нанопорошка модуль упругости возрастает, а предел прочности на растяжение сначала возрастает, а затем падает. Таким образом, проведенные эксперименты показали, что небольшие добавки наноразмерного порошка диоксида кремния Таркосил повышают прочность и упругость каучука – повышаются его предел прочности на растяжение и модуль упругости Юнга, причем максимальная прочность достигается при концентрации порошка примерно 9%. Кроме того, получены результаты по модификации перхлорвиниловой краски нанокремнеземом марки Таркосил. Износостойкость такого модифицированного покрытия увеличилась в более чем 10 раз, без изменения адгезии, коэффициента отражения в видимой области, упругих свойств [66].
Исследование роли и значения наноразмерного кремнезема при модифицировании структуры цементного камня является важным этапом в создании строительных композитов нового поколения.
Следует отметить, что механизм модифицирования структуры цементного камня микроразмерным кремнеземом различной природы достаточно хорошо изучен [81-83], в то время как вопрос о механизме, мере и характере влияния нанокремнезема остается открытым.
В работе [36] сравнительные результаты определения прочностных характеристик цементного камня, модифицированного с применением Таркосил-05 и промышленного пирогенного НК «HDK Wacker» показывали, что с добавкой Таркосил-05 получены более высокие показатели, как в ранние, так и в более поздние сроки твердения. Введение Таркосил-05 привело к повышению прочности цементного камня на 5-10% по сравнению с пирогенным НК «HDK Wacker», что обусловлено наличием в составе Таркосил-05 примесей Al в нанодисперсном состоянии. Это способствует образованию в ранний период гидратации большего количества гидросульфоалюминатов кальция, которые выступают в качестве армирующего компонента и участвуют в раннем наборе прочности цементного камня.
В проводимых исследованиях Таркосил-05 использовали для ускорения твердения и повышения прочности базальтофибробетона и улучшения коррозионной стойкости базальтового волокна.
Экспериментальные исследования по получению базальтофибробетона с НК проводили согласно блок-схеме, представленной на рисунке 2.5.
Для оценки эффективности использования НК и базальтовой фибры в составе цемента из полученных вяжущих исследуемых составов готовили образцы размером 20х20х20 мм. Образцы хранились в формах при t=20-22С, W 90-95%, затем без форм над водой в течение 28 суток.
Определение дисперсности вяжущих осуществляли на приборе ПСХ-2 методом воздухопроницаемости через слой материала.
Нормальную густоту и сроки схватывания определяли на приборе Вика, пробу вяжущего подготавливали по ГОСТ 310.1.
Физико-механические свойства образцов определяли по ГОСТ 310.4-81 «Методы определения предела прочности при изгибе и сжатии».
Образцы бетонов изготавливали в зависимости от вида испытаний размерами 4х4х160 мм. Образцы твердели в нормальных условиях при t=20±2С и влажности 95-98% в гидравлической ванне затвора.
Испытание вяжущих и бетонов на их основе проводились с использованием стандартных методик, соответствующих требованиям нормативной документации РФ на аттестованном оборудовании.
Определение деформативных показателей базальтофибробетона призменной прочности и модуля упругости определяли согласно ГОСТ 24452. Деформации усадки и ползучести определяли по ГОСТ 24544, морозостойкость бетонов определяли по ГОСТ 10060.
Для получения водной суспензии НК, исследований фазового состава и микроструктуры цементного камня модифицированного НК и базальтовым волокном использовали рН-метр «Pen type pH-009», рентгеновский дифрактометр XRD-7000 S Shimadzu (ЦКП «Байкальский центр нанотехнологий», ИрГТУ), растровые электронные микроскопы (Jeol JSM 6510 LV, ЦКП «Прогресс» ВСГУТУ, JEOL JIB-4501, ЦКП «Байкальский центр нанотехнологий», ИрГТУ). Многолучевая система, оснащенная электронной и ионной пушкой JIB-4501 в комплекте с безазотной системой энергодисперсионного микроанализа JEOL JIB-4501 позволяет изучать физико-химические свойства вещества при помощи электронной сканирующей микроскопии с разрешением до 5 нм, ионного травления с низким уровнем повреждения вещества, системы энергодисперсионного анализа элементного состава вещества в области исследования, системы дифракционного анализа параметров кристаллической решетки вещества (рис. 2.5, а).
Исследование микроструктуры и фазового состава базальтофиброцементных композиций
Для установления оптимального процента армирования мелкозернистого базальтофибробетона БВ были разработаны составы с различным содержанием базальтового волокна и определены его основные свойства: прочность при сжатии и изгибе, водопоглощение, морозостойкость, призменная прочность. (табл. 5.2, 5.3).
При варьировании количества вяжущего в составе фибробетонов можно отметить, что максимальные характеристики бетона получены при расходе 550 кг, с достижением показателей соответствующих классу по прочности В45. При пониженных расходах вяжущих физико-механические характеристики бетонов снижаются на 15-20% при расходе вяжущего 500 кг, и на 25-35% при расходе вяжущего 450 кг.
Результаты исследований показали, что с увеличением армирования БФБ до 4% происходит увеличение прочности бетона на сжатие на 40%, прочности при изгибе – на 65-70%, призменной прочности – на 40%. Установлено, что при 4 % армирования от массы вяжущего удается получить максимальные физико-механические показатели: прочность при сжатии – 62 МПа, прочность при изгибе – 15 МПа, призменная прочность - 43 МПа (табл. 5.2).
Дальнейшее увеличение армирования бетона БВ до 6% приводит к незначительному снижению прочности – в среднем на 15-20%. Снижение прочностных характеристик базальтофибробетона связано со снижением технологических показателей бетонной смеси, что приводит к затруднению перемешивания и недостаточно равномерному распределению базальтового волокна в составе фибробетона.
Таким образом, проведенные исследования позволяют выявить оптимальный уровень дисперсного армирования составов мелкозернистого бетона с БВ, собесепчеением повышенных физико-механических и эксплуатационных показателей фибробетона.
Варьирование процента армирования БВ оказывает влияние на изменение водопоглощения и морозостойкости бетона (табл. 5.3). Увеличение процента армирования до оптимального уровня (4%) приводит к изменению структуры фибробетона и созданию его высокоплотной структуры. С использованием НК и БВ получен фибробетон с классом по прочности В40-В45 при увеличении марки по морозостойкости от F150 до F250 и снижении водопоглощения от 4% до 2,5%, усадочные деформации лежат в пределах 1,1-2,7 мм/м.
Совместное введение добавок НК и БВ в состав фибробетона не только не изменяет расход воды для получения армированного бетона при одинаковой подвижности, но и определяет изменение структуры затвердевшего бетона. При постоянном В/Ц- отношении происходит рост эффективного радиуса пор до rэфф = 2х10-3 см вследствие эффекта воздухововлечения. Равномерно распределенные поры данного радиуса способствуют увеличению морозостойкости бетона с F150 до F200-250. Увеличение морозостойкости связано, помимо демпфирующего эффекта, с существенным снижением деструктирующего воздействия осмотического давления твердеющего бетона. В результате бетон имеет минимальное содержание микротрещин и сообщающихся пор.
Изменение микроструктуры фибробетона при совместном введении НК и БВ приводит к снижению водопоглощения бетона (табл. 5.3).
Анализ экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что введение базальтового волокна способствует увеличению прочностных показателей по прочности на сжатие на 13%, на изгиб – 40%. Состав базальтофибробетона с применением НК Таркосил-05 показал наилучшие показатели: улучшение прочности на сжатие на 35%, прочности при изгибе – 65% относительно контрольного бездобавочного состава. Бетоны с применением НК характеризуются высокими эксплуатационными показателями, что является подтверждением создания плотной структуры материала при его введении и упрочняющего эффекта действия НК. В составе базальтофибробетона с БВ и НК наблюдается снижение показателя водопоглощения на 40% по сравнению с контрольным составом. Это подтверждает проведенные выше исследования и предположения о создании плотной структуры цементного камня при дисперсном армировании базальтовым волокном и нанокремнеземом. Предотвращение проникания влаги положительно сказывается на сроках эксплуатации изделий из модифицированного базальтофибробетона, что подтверждается повышением морозостойкости составов БФБ с НК.
Модуль упругости МПа 31 103 34 103 44 - 88 Кинетика набора прочности (рис. 5.1) показывает, при введении базальтового волокна и нанокремнезема темп прироста прочности в начальные сроки твердения (3-7 сут), выше, чем в проектном возрасте (28 сут) относительно контрольного состава на 40-50% в начальные сроки, и 35-35% - в проектном возрасте. Это подтверждает вышеизложенные предположения и исследования о том, что введение НК влияет на структурообразование базальтофибробетона.
Использование базальтового волокна, полученного центробежно-дутьевым способом и характеризующегося неоднородностью по основным характеристикам, с нанодисперсным кремнеземом позволяет получать высокопрочный мелкозернистый базальтофибробетон с улучшенными свойствами. При дисперсном армировании базальтовым волокном происходит снижение деформаций усадки фибробетона на 60% по сравнению с контрольным составом. Снижение деформаций усадки связано с созданием высокоплотной матрицы при оптимальном уровне дисперсного армирования базальтовым волокном и благоприятным воздействием нанокремнезема на структуру модифицированного фибробетона.
Анализ показателей деформаций усадки свидетельствуют, что при введении добавки Таркосил происходит снижение данных показателей. Рациональный подбор составляющих бетонной смеси от заполнителей до микрочастиц вяжущего и наночастиц добавок позволяет создать высокоплотную упаковку материала и снизить усадку. Применение базальтовой фибры совместно с нанокремнеземом является эффективным и способствует значительному улучшению физико-механических и деформационных показателей, за счет изменения рационального состава новообразований цементной матрицы при введении нанокремнезема, способствующей лучшей сохранности базальтового волокна и усилению армирующего эффекта от его введения. С учетом проведенных исследований по нахождению оптимального содержания базальтового волокна, нанокремнезема, рациональных способов их введения в состав цемента и бетона, была разработана технология производства базальтофибробетона
Характер разрушения той или иной системы определяется развитием дефектов, возникающих в структуре под действием напряжений. Процесс развития дефектов, вызывающих разрушение структур, как правило, происходит в две стадии: возникновение и медленный или прерывистый рост трещин и пор до их критического размера, а затем быстрый рост и слияние трещин критического размера, приводящее к полному разрушению. Следовательно, эффект упрочнения волокнами сводится к замедлению образования в материале трещин критического размера. Разрушение композиций, упрочненных волокнами, происходит либо вследствие разрушения отдельных компонентов композиции, либо вследствие расслаивания по поверхностям раздела между арматурой и матрицей. Поскольку трещины, как правило, зарождаются в дефектах структуры, роль дефектов в процессе разрушения материала чрезвычайно велика, и при изготовлении композиционного материала особенно важно обеспечить его минимальную дефектность путем прочного сцепления арматуры с матрицей.
Деформативные и эксплуатационные свойства базальтофибробетонов
Эффективность распределения и измельчения волокна до оптимальных размеров по длине (10-12 мм) оценивали по времени перемешивания в двух исследуемых агрегатах (рис. 3.10). Как показывают результаты исследований, оптимум по времени помола в виброистирателе лежит в пределах 0,25-0,75 мин, при котором получены наилучшие показатели по прочности. В случае использования турбулентного смесителя оптимум времени перемешивания лежит в интервале времени 1,5 -2,5 мин. При этом максимальная прочность при данном способе распределения ниже, чем при использовании виброистирателя.
Прочностные показатели БФЦ при таком способе распределения волокна на 15 20% выше по сравнению с показателями при распределении волокна в турбулентном смесителе. Лучшим оказался способ смешивания компонентов в виброистирателе, где сочетаются интенсивные механические воздействия и высокая энергонапряженность в рабочей зоне аппарата (рис. 3.10). При распределении базальтового волокна в виброистирателе – интенсивном помольном агрегате - за счет кратковременного воздействия в течение 0,5-1,5мин происходит незначительная активация цемента, что приводит к повышению его реакционной способности и улучшению физико-механических показателей. Интенсивные механические воздействия в сочетании с высокой энергонапряженностью в рабочей зоне измельчителя позволили отнести стержневой виброистиратель к эффективным аппаратам для совместного перемешивания-помола ПЦ и минерального волокна. Используя аналитический и экспериментальный подходы, можно на стадии проектирования приблизиться к оптимальным параметрам измельчителей нового поколения и режимам перемешивания, активации и модифицирования вяжущих композиций, позволяющим при оптимальных энергозатратах передать достаточное количество энергии обрабатываемым материалам для повышения их реакционной способности и получения заданных свойств.
Влияние времени перемешивания–помола при распределении базальтового волокна в цементной матрице на прочность БФЦ
Базальтовое волокно подвергается частичному измельчению до оптимальных для равномерного распределения размеров по длине - 10-15 мм (рис. 3.11, а). В случае применения турбулентного смесителя длина волокон больше (15-25 мм, рис. 3.11, б), и они проявляют большую склонность к образованию комков или пучки – «ежи».
При промышленном производства фибробетонов возможно интенсивно перемешивание цемента с базальтовым волокном в измельчителях нового поколения, таких как центробежно-эллиптическая мельница ЦЭМ-7», шаровая планетарная мельница «Активатор-2S», где при оптимальных энергозатратах передается достаточное количество энергии обрабатываемым материалам для повышения их реакционной способности и получения заданных свойств.
Ранее указывалось, что при использовании базальтового волокна в качестве армирующего компонента для производства бетона необходимо учитывать его взаимодействие со щелочной средой твердеющего цемента [2, 27]. Решению этой проблемы за последние годы посвящен ряд работ, направленных на повышение коррозионной стойкости базальтового волокна, используемого в качестве дисперсно-армирующего компонента мелкозернистого бетона [22, 27]. Успешное использование минеральных волокон невозможно без обеспечения их коррозионной стойкости различными способами. Обобщив различные подходы к решению данной проблемы, можно выделить основные направления защиты минерального волокна от действия щелочной среды: - использование бесцементных и малоцементных вяжущих в фибробетоне; - модификация поверхности минеральных волокон; - модификация структуры минеральных волокон; - введение добавок, снижающих щелочность среды фибробетона. Каждое из направлений имеет свои преимущества и недостатки, применение их должно определяться качественным эффектом улучшения показателей конечного продукта и технико-экономической целесообразностью. По направлению использования добавок, снижающих щелочность среды, проведено достаточно много исследований и базируются они в основном на применении кремнеземсодержащих добавок различного состава и происхождения [2, 21-27]. Стоит отметить, что механизм воздействия таких добавок на цемент и базальтовые волокна является достаточно комплексным и дозировки таких добавок варьируются в широком интервале (5-20%). Кремнеземсодержащие добавки используемые для этих целей имеют в основном микроуровневый размер частиц, исходя из которого определяется механизм и кинетика гидратации цементной системы. Исследование механизма действия наноразмерных кремнеземсодержащих добавок на цементную систему, в которой присутствуют дисперсные волокна, изучен недостаточно широко и поэтому целью проводимых исследований явилось определение изменения коррозионной стойкости базальтового волокна в составе твердеющего цемента при использовании в его составе НК Таркосил-05.
Существует несколько подходов по оценке коррозионной стойкости базальтового волокна в среде твердеющего бетона [21, 24, 25]. В работе [25], базальтовые волокна помещаются в водную вытяжку из цементного молочка, и оценивается изменение их структуры и свойств при выдерживании при обычной температуре. В других работах [24] волокна помещаются хлоридсодержащую среду при повышенных температурах. Проводятся также исследования по выдерживанию и наблюдению состояния волокна в составе фибробетона в течение длительного времени в естественных условиях [2, 21-23].
Для оценки химической стойкости базальтового волокна был использован ускоренный способ путем кипячения волокна в насыщенном растворе извести по методике Пащенко А.А. [39]. Образцы исходного базальтового волокна и измельченного с цементом в виброистирателе ВИ-4 350 в течение 45 сек кипятили в насыщенном растворе гидроксида кальция (рН=12,1) в течение 4 часов. В качестве сравнения измельченное волокно кипятили в растворе гидроксида кальция с добавлением НК в количестве 1% по объему. На рисунке 4.1 приведены снимки образцов базальтового волокна до и после кипячения, выполненные на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Jeol JSM 6510 LV при увеличении х1000.